藍牙控制音樂水幕系統的研究與設計

塔里木大學信息工程學院 陳金鋒 肖仁偉

為更大程度的推進音樂噴泉走進人們的日常生活，融入智能家居系統。設計了基于MH-M28藍牙模塊為輸入信號控制系統的小型音樂水幕系統。輸入信號經ADC0832模塊采樣與LM386功率放大后由喇叭播出。根據單片機不同的時延信息輸入水泵從而控制形成水幕。整體系統由STC89C52單片機為核心控制器。經多次試驗結果表明：系統運行穩(wěn)定，水幕完整形成，各模塊均能正常工作。

多年來音樂水幕系統憑借其炫彩的音樂、燈光和水幕的變化博得大眾的喜愛。為了簡化音樂水幕系統的控制同時縮小其體積來彌補家庭市場的空缺，我們進行了新的系統設計，將音頻輸入的控制方式也變得更加多樣化。為了更加方便的控制音頻輸入滿足產品需要，本系統采用STC89C52單片機為核心處理器，以MH-M28藍牙模塊和音頻輸入口來控制音頻輸入。

此系統通過更加精簡化的控制方案配合藍牙模塊的無線音頻輸入和外置設備的線控音頻輸入來確保在縮減體積的同時又能滿足產品性能的多種需求。

1 系統總體設計

經過對大量相關資料的分析與研究，本系統需要實現藍牙輸入、音樂播放、彩燈及水幕變化等多種功能。考慮到產品的實用性、成本、系統穩(wěn)定性和產品體積等因素，本系統采用STC89C52單片機作為主要控制單元，同時輔以LED頻譜彩燈、MH-M28藍牙模塊、ADC0832模數轉換模塊、LM386外放喇叭和水泵等模塊來實現系統的相關功能。最終決定總方案設計如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

此次設計的整體系統主要從兩大方面入手：一是硬件電路設計，二是軟件編程設計。

硬件電路設計部分主要包括核心控制系統、水泵電路、音樂播放系統、LED信號指示燈電路和藍牙音頻輸入電路等。

軟件設計部分主要包括單片機核心系統主程序、聲音信號采集子程序、LED燈控制子程序和輸出驅動水泵子程序、流程圖及Protues軟件仿真來實現預期功能。所有程序設計均采用C語言編程完成。在軟件仿真實現全部預期功能后，通過電路板焊接、電子元器件組裝、軟硬件調試來實現整體水幕系統設計的全部功能。

2 硬件設計

硬件部分采用STC89C52單片機為主控制單元，音頻信號通過線控輸入或者藍牙輸入后經功率放大器（LM386）后通過喇叭播放音樂，同時進入ADC0832轉換為數字信號后輸入單片機，單片機根據時延次數來控制水泵的工作形成水幕。此外，8只LED彩燈與單片機控制器相連，根據音頻信號的振幅和頻率變化來實現彩燈的亮滅。

2.1 核心控制系統設計

本設計的主控芯片STC89C52單片機的最小系統如圖2所示。

圖2 單片機最小系統原理圖

最小系統主要由三部分構成：一是時鐘電路，電容和晶振的組合可以讓時鐘電路上電后開始正常工作。二是電源電路，由單片機引腳圖可以看出將引腳VCC和GND與外部電源連接即可構成供電回路。三是復位電路，由按鍵、電阻和電解電容組成，具有上電后自動復位的功能，此外，還可以通過按鍵手動復位。

2.2 水泵電路設計

水泵系統通過5V電源供電，水泵為微型水泵，作為藍牙音樂水幕的噴水口。水泵電路通過單片機P37口進行連接，通過單片機處理音頻信號得到的時延次數來決定水泵的工作時間，從而實現水幕的變化。（由于水泵屬于大功率元器件，無法用單片機直接對其進行驅動。所以需要通過三極管來實現水泵的驅動。）

2.3 喇叭電路設計

本設計采用的是LM386芯片作為揚聲器放大電路的控制芯片，音頻輸入口與LM386芯片連接，音頻信號通過單片機和功率放大器處理后，由外接喇叭播放出來。音頻輸入口還可通過連接線將MH-M28藍牙模塊與系統進行連接，從而通過藍牙模塊實現音頻的無線輸入。

圖3 水泵控制電路原理圖

2.4 LED信號指示燈電路設計

本設計采用了8個發(fā)光二極管作為氛圍渲染燈。其中1號LED燈為電源通電指示燈。其余7個為音頻音調變換指示燈。當音頻音調交錯變換時，LED燈會依據不同的音調有不同數目的彩燈閃爍。

2.5 藍牙模塊設計

本設計采用的是MH-M28藍牙模塊與手機或電腦藍牙進行連接。可以直接用MICRO USB安卓線5V直接進行供電使用。其連接方式簡單，穩(wěn)定性強。并且它能夠直接通過手機、電腦控制，自由調節(jié)音樂音量的大小和音樂切換，較為方便。

3 軟件設計

整個藍牙音樂水幕系統的設計由軟件設計硬件設計共同實現，通過編寫C語言來控制單片機的運行從而實現預期效果。整個程序主要分為水泵控制部分、A/D轉換部分以及LED燈光渲染部分。主程序接收到中斷信號時，啟動A/D轉換，轉換完畢后由單片機讀取數據，根據讀取到的數據控制產生PWM波。

3.1 A/D采樣模塊的軟件設計

根據本設計要求A/D采樣模塊的軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 A/D采樣模塊軟件流程圖

由A/D采樣模塊的軟件設計流程圖可以看出，首先，系統通電后，啟動A/D采樣，A/D采樣模塊通過藍牙無線輸入或外部設備線控輸入接收到音頻信號，將采集到的信號進行模數轉換，經儲存器保存轉換結果后，修改參數，直至完成8路采集，由單片機讀取轉換結果，驅動水泵電路工作。

3.2 音頻脈沖的設計

首先，通過查閱資料得到音符頻率對照表。音調一般分為低音、中音和高音。每一種音調又分為7個音符“Do、Re、Mi、Fa、So、La、Si”。這些音符都有特點的頻率劃分，如低音Do的頻率為262Hz，根據頻率可以計算其周期（T=1/f），經計算T=1/262=3816μs。利用單片機內部定時器計時半個周期的時間，每當計時終止后，就將I/O反相，以此重復計時再反相。如此便可在I/O引腳上得到這個頻率的脈沖。利用單片機工作在計數器模式（MODE1）下，此時可通過改變單片機計數值TH0和TL0來產生不同頻率，于是就產生了不同的音調。再以低音Do為例，其頻率為262Hz，周期為3816μs，可計算出半周期時間t=1908μs，所以計數器計時1908次時將I/O反相，即可得到低音Do（262Hz）。

3.3 水泵輸出電路設計

水泵噴出水幕的高低主要是由水泵轉速決定的。因此只要改變水泵的轉速即可達到水幕的高低變化。本設計改變轉速的方式是通過電流作用于電機的時間長短來控制的。

利用可控硅調相的方式控制電流導通時間。接收到音頻信號后，首先由單片機內部定時器找到每個音頻周期的起點。然后再根據AD采樣決定不等的延時來輸出矩形波導通可控硅。

AD采樣結果越大，每個周期的延時也就越短。此時，可控硅導通的時間越長，水泵電機轉速越快，噴泉噴出的水柱越高。反之，噴泉噴出水柱越低。由于噴泉噴出水柱的高低不僅與轉速有關，還與出水口的直徑、出水管的長度等諸多因素有關，不能得出具體的高度變化情況。

整體設計采用有線輸入音頻與無線輸入音頻兩種音頻控制方式相結合。實現了音頻輸入的多元化，在以往的研究設計中還屬于創(chuàng)新設計。同時實現了將音樂水幕噴泉搬至家中的突破，讓居家裝修設計更加多元化。